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Entwicklung einer Nanotechnologie-Plattform für die ... - JuSER

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2 DIE ENTWICKLUNG DER

2 DIE ENTWICKLUNG DER SPEICHERTECHNOLOGIE 2.2 Speicherkonzepte von Heute und Morgen Der stetig wachsende Anspruch an die Performance von Speicherchips treibt die Entwicklung neuartiger Technologien und Konzepte an. Dabei ist nicht nur die Verdichtung der Integration durch Miniaturisierung (u.a. aus Kostengründen) entscheidend (Abbildung 2.2), sondern auch die Entwicklung neuartiger Speicherkonzepte, deren physikalisches Wirkungsprinzip sich von den Prinzipien heutiger CMOS-Technologien unterscheidet. Das physikalische Limit der MOS- Transistoren ist bald erreicht, da Effekte, wie das Tunneln von Ladungsträgern durch den Drain-Source-Kanal, bei fortwährender Miniaturisierung von CMOS-Bauelementen problematischer werden. Die heutigen Speicherkonzepte basieren hauptsächlich auf dem Dynamic Random Access Memory (DRAM) und Flash [38, 39]. Die Abbildungen 2.3 und 2.4 zeigen den prinzipiellen Aufbau beider Speichertypen. Wortleitung Bitleitung Transistor Kondensator Abbildung 2.3: Prinzipdarstellung einer DRAM – Speichereinheit Abbildung 2.4: Prinzipdarstellung einer Flash- Speichereinheit (www.chip.de) DRAM beseht aus einem Transistor und einem Kondensator, dessen Ladezustände logischen Zuständen „1“ und „0“ zugeordnet werden. Die Zustände sind flüchtig, da der Kondensator stets zum Entladen neigt, und müssen mit der Versorgungsspannung des Systems aufrechterhalten werden. Der Vorteil der DRAM-Technologie ist durch die extrem hohe Schreib-/Lesegeschwindigkeit und die lange Lebensdauer gegeben. Allerdings wirkt sich neben der Flüchtigkeit des Speichers die begrenzte Miniaturisierbarkeit bzw. Skalierbarkeit durch den kapazitiven Speichermechanismus eher als Nachteil aus. 19

2 DIE ENTWICKLUNG DER SPEICHERTECHNOLOGIE Flash hingegen bietet ein großes Skalierungspotential und nicht-flüchtige Speicherzustände. Das Prinzip basiert auf einer Floating-Gate-Architektur, bei der Ladungen, die auf das zusätzliche Floating-Gate eines Feldeffekt-Transistors aufgebracht oder davon entfernt werden, den Speicherzustand bestimmen. Zusätzliche Ladungen auf dem Gate verschieben die Schwellspannung des Transistors und somit dessen Kennliniencharakteristik. Diese Eigenschaft wird als Speicherinformation genutzt. Hinzu können durch unterschiedliche Ladungsmengen auf dem Floating-Gate mehrere Speicherzustände erreicht werden. Das Bauteil verändert sich dann von einem binären Speicher zu einem Multi-Bit-System, welches das Potential einer hohen Integrationsdichte enorm steigert, da zusätzliche Speicherzustände je physikalischer Zelle auftreten. Die Nachteile des Flash liegen in der relativ (zu DRAM) langsamen Schreib-/Lesegeschwindigkeit und der begrenzten Lebensdauer der Bauelemente. Demzufolge sind Flash-Bauteile heute hauptsächlich in USB-Sticks, Speicherkarten oder MP3-Playern zu finden, die preisgünstig sind und sich zur portablen, mobilen Anwendung eignen. Die Generation der zukünftigen Speichertechnologie wird durch Konzepte wie Magnetic-RAM (MRAM), Ferroelctric-RAM (FeRAM), Phase Change-RAM (PCRAM) und Resistive-RAM (RRAM) geprägt [40-43]. Die MRAM nutzen magnetische Materialien und deren hysteretisches Verhalten zur Datenspeicherung. Phänomene wie der Giant Magneto Resistance (GMR) – Effekt beschreiben eine Widerstandsänderung von Materialschichtsystemen unter dem Einfluss spezifischer magnetischer Felder [44]. Die Widerstandsänderung kann somit als Datenspeicherung genutzt werden. FeRAM basieren auf ähnlichem, hystertischem Prinzip wie die MRAM, nur wird hier die Polarisations-Hysterese der Ferroelektrika ausgenutzt. Wird eine Kondensatorkonfiguration gewählt, so können die Polarisationsrichtungen des Ferroelektrikums eine Speicherinformation, entsprechend „1“ oder „0“, enthalten. MRAM benötigt Ströme im Milliampere-Bereich, was die Leistungsaufnahme der Speicherzellen als eher unattraktiv gestaltet. Der Nachteil der FeRAM ist deren begrenzte Skalierbarkeit. PCRAM und RRAM implizieren dagegen gute Voraussetzungen für die Umsetzung als Speicherbaustein. Das Prinzip des PCRAM basiert auf der Eigenschaft von Chalkogeniden, welche durch die Verwendung spezifischer Ströme ihre Phase von amorph zu kristallin (bzw. von kristallin zu amorph) wechseln. Eine amorphe Phase bietet dabei einen hohen, eine kristalline Phase einen niedrigen Leitungswiderstand. Die unterschiedlichen Widerstände werden den logischen Werten „0“ und „1“ zugeordnet. Durch Strompulse wird das Material definiert aufgeheizt und abgekühlt, wodurch die unterschiedlichen Phasen entstehen. Die amorphe Phase wird durch das Aufheizen über die Schmelztemperatur und rasches Abkühlen unter die Glasübergangs-Temperatur 20